순환 모형 (우주론)
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1. 개요
순환 모형은 우주가 반복적인 팽창과 수축을 겪는다는 우주론적 모형이다. 초기에는 열역학 제2법칙에 따른 엔트로피 증가 문제로 인해 실패했지만, 암흑 에너지의 발견 이후 새로운 순환 모형들이 제시되었다. 주요 모형으로는 폴 스타인하트와 닐 튜록의 스타인하트-튜록 모형과 로리스 바움과 폴 프램프턴의 바움-프렘프턴 모형 등이 있다. 등각 순환 우주론과 루프 양자 우주론도 순환 모형의 범주에 포함된다. 이러한 모형들은 우주의 기원과 진화를 설명하려는 시도로, 끈 이론 및 양자 중력과 연관되어 연구되고 있다.
2. 역사적 배경
2. 1. 초기 순환 우주론
2. 2. 현대의 순환 우주론
1920년대에 이론 물리학자들, 특히 알베르트 아인슈타인은 팽창하는 우주 모형에 대한 대안으로 우주 순환 모형의 가능성을 고려했다. 1922년에 알렉산더 프리드만은 진동하는 우주 이론을 소개했다.[1] 그러나 1934년 리처드 C. 톨먼의 연구에서는 이러한 초기 시도가 열역학 제2법칙에 따른 엔트로피 증가 문제 때문에 실패했음을 보여주었다.[2] 시간을 거슬러 올라가면, 현재 주기 이전의 주기는 점점 더 짧아지고 작아져서 결국 빅뱅으로 이어진다.
21세기 초, 암흑 에너지 성분이 발견되면서 순환 우주론에 대한 새로운 희망이 생겼다. 2011년 20만 개의 은하계와 70억년의 우주 시간을 5년간 조사한 결과, "암흑 에너지가 우리 우주를 가속 속도로 분열시키고 있다"는 사실이 확인되었다.[3][4]
이전의 에크파이로틱 모형에서 파생된 새로운 순환 모형은 우주 창조의 막 우주론 모형이다. 2001년 프린스턴 대학교의 폴 스타인하트 와 케임브리지 대학교의 닐 튜록이 제안한 이 이론은 우주가 반복적으로 존재한다고 설명한다.[5][6]
유령 에너지 개념에 기초한 다른 순환 모형은 2007년 노스캐롤라이나 대학교 채플힐 캠퍼스의 로리스 바움과 폴 프램프턴에 의해 제안되었다.[7]
다른 순환 모형에는 등각 순환 우주론과 루프 양자 우주론이 포함된다.
3. 주요 순환 우주론 모형
3. 1. 스타인하트-튜록 모형
폴 스타인하트와 닐 튜록이 제시한 순환 모형에서는 두 개의 평행한 오비폴드 평면 또는 M-막이 고차원 공간에서 주기적으로 충돌한다.[8] 눈에 보이는 4차원 우주는 이 막 중 하나에 놓여 있으며, 충돌은 수축에서 팽창으로의 역전 또는 빅 크런치 직후 빅뱅에 해당한다. 오늘날 우리가 보는 물질과 방사선은 가장 최근의 충돌 중에 막 이전에 생성된 양자 요동에 의해 결정된 패턴으로 생성되었다.[8] 수십억 년이 지난 후 우주는 현재 상태에 이르렀고, 다시 수십억 년이 지나면 결국 다시 수축하기 시작한다.[8] 암흑에너지는 막 사이의 힘에 해당하며, 홀극, 지평, 편평도 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 한다.[8] 이 순환은 과거와 미래까지 무한정 계속될 수 있고, 그 해결책은 끌개이므로 우주의 완전한 역사를 제공할 수 있다.[8]
리처드 C. 톨먼이 보여준 것처럼, 초기 순환 모형은 우주가 불가피한 열역학적 열죽음을 겪을 것이기 때문에 실패했다.[9] 그러나 새로운 순환 모형은 각 순환마다 순 확장을 가해 엔트로피가 축적되는 것을 방지함으로써 이를 회피한다.[9] 하지만, 모형에는 아직 해결되지 않은 주요 문제가 남아 있다. 가장 중요한 것은 끈 이론가들이 충돌하는 막을 이해하지 못하고 규모 불변 스펙트럼이 큰 위기로 인해 파괴될지 아무도 모른다는 것이다.[10] 우주 팽창과 마찬가지로 진공 요동을 생성하는 데 필요한 힘( 에크파이로틱 시나리오에서는 막 사이의 힘)의 일반적인 특성이 알려져 있지만 입자 물리학에서는 후보가 없다.[10]
3. 2. 바움-프렘프턴 모형
보다 최근의 2007년 순환 모형은 팬텀 에너지 라고 불리는 이국적인 형태의 암흑 에너지를 가정한다.[11][12] 이는 음의 운동 에너지를 갖고 있으며 일반적으로 우주가 빅 립으로 끝나게 만든다. 이 조건은 상태 매개변수의 우주 방정식을 사용하여 우주가 암흑 에너지에 의해 지배되는 경우 달성된다. 에너지 밀도 , 압력 p일 때 매개변수 는 조건 을 만족한다. 바움-프렘프턴 모형에서는 빅 립이 발생하기 10억분의 1초(즉, 10-24 초 이하) 전에 전환이 발생하고 단 하나의 인과 패치만이 우리 우주로 유지된다. 일반 패치에는 쿼크, 렙톤 또는 힘 매개 입자가 포함되어 있지 않다. 오직 암흑에너지 만이 존재하며, 이로써 그 엔트로피는 사라진다. 이 훨씬 더 작은 우주의 단열 수축 과정은 끊임없이 사라지는 엔트로피와 회전 전에 붕괴된 블랙홀을 포함하지 않는 모든 물질에서 발생한다.
우주가 "비워진다"는 생각은 이 순환 모형의 새로운 핵심 아이디어이며, 과도한 구조 형성, 블랙홀의 확산 및 팽창, 위상 전환 등 수축 단계에서 물질이 직면하는 많은 어려움을 피한다. 양자 색역학 및 약한 대칭 복원과 같은 것이다. 조건 는 엔트로피 문제로 인해 진정한 무한 순환 우주론에서는 논리적으로 불가피할 수도 있다. 모형이 끈 이론에서 아이디어를 차용하더라도 반드시 끈이나 더 높은 차원에 적용되는 것은 아니다. 바움-프렘프턴 모형에서 의 값은 −1에 임의로 가깝게 만들 수 있지만 이보다 작아야 한다.
3. 3. 기타 순환 모형
로저 펜로즈의 등각 순환 우주론은 일반 상대성 이론에 기초한다. 이 이론에 따르면 우주는 모든 물질이 붕괴되어 빛으로 변할 때까지 팽창한다. 따라서 우주에는 시간이나 거리 규모와 관련된 것은 아무것도 남지 않게 된다. 이를 통해 빅뱅과 동일한 상태가 되며, 다음 주기가 시작된다.
루프 양자 우주론에서는 수축하는 우주 가지와 팽창하는 우주 가지 사이의 "양자 다리"를 예측한다.
4. 한국의 순환 우주론 연구
5. 비판 및 논쟁
참조
[1]
웹인용
Friedmann universe {{!}} Expanding Universe, Big Bang & Dark Energy {{!}} Britannica
https://www.britanni[...]
2023-09-24
[2]
서적
Relativity, Thermodynamics, and Cosmology
Dover
1987
[3]
웹인용
Dark energy is driving universe apart: NASA's Galaxy Evolution Explorer finds dark energy repulsive
https://www.scienced[...]
2023-08-22
[4]
논문
The WiggleZ Dark Energy Survey: Direct constraints on blue galaxy intrinsic alignments at intermediate redshifts
[5]
논문
Cosmic Evolution in a Cyclic Universe
[6]
논문
A Cyclic Model of the Universe
2001
[7]
논문
Entropy of Contracting Universe in Cyclic Cosmology
[8]
논문
The Cyclic Model Simplified
[9]
서적
Relativity, Thermodynamics, and Cosmology
Dover
1987
[10]
서적
Not Even Wrong
Random House
2006
[11]
논문
Entropy of Contracting Universe in Cyclic Cosmology
[12]
논문
Turnaround in Cyclic Cosmology
2007
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